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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kerspinresonanz-Tomographie. Insbesondere
betrifft sie ein Spulensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Sie betrifft auch eine MR-Vorrichtung mit einem solchen Spulensystem.
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Bildgebende
Magnetresonanz(MR)-Verfahren (Magnetic Resonance Imaging MRI), welche
die Wechselwirkung von Magnetfeldern mit Kernspins zur Erstellung
von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Bildern ausnutzen,
haben insbesondere in der medizinischen Diagnostik eine verbreitete Anwendung
gefunden, weil sie bei der Darstellung von Weichteilstrukturen anderen
bildgebenden Verfahren in vielen Bereichen überlegen sind, ohne ionisierende
Strahlung auskommen und in der Regel nicht invasiv sind.
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Bei
dem MR-Verfahren wird der zu untersuchende Körper in ein starkes homogenes
Magnetfeld gebracht, dessen Richtung zugleich eine Achse (üblicherweise
die z-Achse) des der Messung zugrundeliegenden Koordinatensystems
definiert. Durch das Magnetfeld werden für die einzelnen Kernspins in
Abhängigkeit
von der Magnetfeldstärke
unterschiedliche energetische Niveaus erzeugt, die durch Einstrahlung
eines elektromagnetischen Wechselfeldes definierter Frequenz (Larmor-Frequenz)
angeregt werden können
(Kernspinresonanz). Makroskopisch gesehen ergibt die Verteilung
der einzelnen Kernspins eine Gesamtmagnetisierung, die durch einen eingestrahlten
elektromagnetischen Puls entsprechender Frequenz (HF-Puls), bei
dem das Magnetfeld senkrecht zur z-Achse steht, auf einer spiralförmigen Bahn
aus der Gleichgewichtslage ausgelenkt werden kann und dann eine
Präzessionsbewegung um
die z-Achse ausführt.
Die Präzessionsbewegung beschreibt
einen Kegelmantel, dessen Öffnungswinkel
als Flipwinkel bezeichnet wird. Die Größe des Flipwinkels hängt von
der Stärke
und Dauer des eingestrahlten elektromagnetischen Pulses ab. Bei
einem sogenannten 90°-Puls
werden die Spins aus der z-Achse in die Transversalebene geklappt
(Flipwinkel 90°).
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Nach
dem Ende des HF-Pulses relaxiert die Magnetisierung wieder in die
ursprüngliche
Gleichgewichtslage zurück,
wobei sich mit einer ersten Zeitkonstanten T1 (Spin-Gitter-Relaxationszeit)
die Magnetisierung in z-Richtung wieder auftaut, und mit einer zweiten
Zeitkonstanten T2 (Spin-Spin-Relaxationszeit)
die Magnetisierung senkrecht zur z-Richtung abbaut. Die Änderung
in der Magnetisierung kann mit einer Spule detektiert werden, die üblicherweise
so orientiert ist, dass die Änderung
der Magnetisierung senkrecht zur z-Achse (Transversalmagnetisierung, Zeitkonstante
T2) gemessen wird. Mit dem Abbau der Transversalmagnetisierung
verbunden ist nach Anlegung eines 90°-Pulses ein durch lokale Magnetfeldinhomogenitäten bewirkter Übergang
der Kernspins von einem geordneten Zustand gleicher Phase in einen
Gleichgewichtszustand, bei dem alle Phasenwinkel gleich verteilt
sind (Dephasierung). Die Dephasierung kann durch einen Refokussierungspuls (180°-Puls) kompensiert
werden. Hierdurch ergibt sich in der Detektionsspule ein Echosignal
(Spinecho).
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Um
im Körper
eine Ortsauflösung
zu erhalten, werden dem homogenen Magnetfeld mittels einer drei
Gradientenspulensysteme umfassenden Gradientenspulenanordnung lineare
Gradientenfelder in den drei Hauptachsen überlagert, die zu einer linearen
Ortsabhängigkeit
der Kerspinresonanzfrequenz führen.
Das in der Detektionsspule detektierte Signal enthält dann
Anteile verschiedener Frequenzen, die nach einer Fourier-Transformation von
der Zeit- auf die Frequenzachse verschiedenen Orten im Körper zugeordnet
werden können.
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Das
Spulensystem einer MR-Vorrichtung umfasst nicht nur eine Spulenanordnung
zur Erzeugung eines homogenen Gleichfeldes, sondern auch Spulenanordnungen
zur Erzeugung der Gradientenfelder sowie eine Spulenanordnung zur
Erzeugung eines (gepulsten) HF-Feldes. Ein beispielhaftes Spulensystem
ist in
9 und
10 der
US-A-6.154.110 dargestellt. Innerhalb
einer supraleitenden Hauptspule ist koaxial eine Gradientenspulenanordnung
zur Erzeugung der Gradientenfelder untergebracht, welche Gradientenspulenanordnung
aus einer (äußeren) Abschirmspule
und einer (inneren) Teilspule besteht. Auf einem vergleichbaren
bekannten Spulensystem beruht auch die vorliegende Erfindung, wie
dies aus
2 zu erkennen ist: Das bekannte
Spulensystem
210 ist entlang einer Achse
218 orientiert
und umgibt einen Untersuchungsraum
217, in den ein zu untersuchender
Patient
215 mittels eines in Achsenrichtung verfahrbaren,
an der Unterseite des Untersuchungsraumes
217 platzierten
Patiententisches
216 eingeschoben werden kann. Das den
Untersuchungsraum
217 umschließende Spulensystem
210 umfasst
(von innen nach außen
gesehen) eine HF-Spule
219, eine aktiv geschirmte Gradientenspulenanordnung,
bestehend aus einer inneren Teilspule (
213, in
2 im
Unterschied zu der erfindungsgemäßen inneren
Teilspule
213' punktiert
gezeichnet) und einer aktiv schirmenden Spule oder Abschirmung (
212),
und einen Kryostaten
211, in welchem die Spule zur Erzeugung
des homogenen statischen Magnetfeldes untergebracht ist. Die Gradientenspulenanordnung
213,
212 wird
von einem Gradientenverstärker
220 angesteuert.
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Um
die gewünschten
transversalen Magnetgradientenfelder zu erzeugen, wobei gleichzeitig
die parasitäre
magnetische Flussdichte minimiert wird, beschreibt
US-5 512 828 A ein Spulensystem,
bei dem an den axialen Enden dieses Spulensystems das Volumen zwischen
der inneren Spule und der aktiven Abschirmspule verringert wird,
indem man einen Radius der inneren Spule hin zum Radius der aktiven
Abschirmspule zunehmen lässt.
In
US-5 512 828 A wird
der Energieverbrauch des Spulensystems nicht in Betracht gezogen.
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Derartige
Gradientenverstärker
sind heutzutage eine der teuersten Komponenten einer MR-Vorrichtung.
Es ist deshalb wünschenswert,
in der MR-Vorrichtung Gradientenspulen einzusetzen, die einen möglichst
geringen Energiebedarf aufweisen. In der eingangs genannten
EP-A1-0 304 126 ist
zur Verringerung der für
die Gradientenspulen benötigten
Energie vorgeschlagen worden, spezielle Kompensationsspulen einzusetzen,
welche die unerwünschten
Streufelder und Wirbelströme
der Gradientenspulen schwachen oder unterdrücken.
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Weiterhin
wird in der
EP-A1-0
307 981 vorgeschlagen, zur Verringerung der für die Gradientenspulen
und die HF-Spule benötigten
Energie ein kombiniertes HF- und
Gradientenspulensystem einzusetzen, welches es ermöglicht,
den freien inneren Durchmesser des Spulensystems zu verkleinern.
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In
beiden Fällen
ist die Anpassung des Spulensystems an einen verringerten Energieverbrauch für die Gradientenspulen
vergleichsweise aufwendig und kompliziert.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Spulensystem sowie eine
MR-Vorrichtung mit
einem solchen Spulensystem zu schaffen, welche sich durch eine hinsichtlich
des Energieverbrauchs auf einfache Weise optimierte Geometrie auszeichnen.
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Die
Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw.
des Anspruchs 6 gelöst.
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Die
Erfindung geht davon aus, dass es für die im Gradientenfeld vorhandene
Feldenergie günstig
ist, so viel Volumen wie möglich
zwischen der inneren Teilspule und ihrer aktiven Abschirmung zu
haben, ohne gleichzeitig das Volumen für die HF-Spule zu verkleinern
und den Untersuchungsraum für
den zu untersuchenden Patienten zu verrin gern. Der Kern der Erfindung
besteht nun darin, für
die innere Teilspule den ungenutzten Raum außerhalb der innenliegenden
HF-Spule und innerhalb der Abdeckung zu nutzen.
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Hierzu
wird ein Spulensystem der eingangs genannten Art vorgeschlagen,
das erfindungsgemäß so ausgestaltet
ist, dass zur Verringerung der für
das Gradientenspulensystem benötigten
Energie das von der inneren Teilspule eingenommene Volumen in den in
axialer Richtung über
die HF-Spule hinausgehenden Bereichen zur Achse hin erweitert wird.
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Diese
Ausgestaltung gemäß Anspruch
2 hat den Vorteil, dass der unterhalb der Tischplatte des Patiententisches
zur Verfügung
stehende Raum für die
Teilspule optimal genutzt wird.
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Eine
andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 zeichnet
sich dadurch aus, dass für
die Teilspule mehr Volumen zur Verfügung gestellt wird, ohne dass
die Offenheit des Untersuchungsraumes zu beiden Seiten beeinträchtigt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird das
erfindungsgemäße Spulensystems
in einer bildgebenden MR-Vorrichtung angewendet.
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Weitere
Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Eine
MR-Vorrichtung mit einem Spulensystem zur Erzeugung eines homogenen
stationären Magnetfeldes,
dessen Stärke
die Lamorfrequenz definiert, und zur Erzeugung von HF-Pulsen und
zum Empfangen von in einem Untersuchungsobjekt erzeugten MR-Signalen
ist erfindungsgemäß so ausgebildet,
dass ein Spulensystem für
eine nach dem Kernspinresonanz- bzw. Magnetresonanz-Verfahren arbeitende
Vorrichtung, welches Spulensystem einen sich entlang einer Achse
erstreckenden, für
das Aufnehmen eines Patienten vorgesehenen Untersuchungsraum umgibt
und eine innere HF-Spule, eine die HF-Spule außen umgebende und die HF-Spule
in axialer Richtung an beiden Seiten überragende, innere Teilspule
und eine die innere Teilspule außen umgebende aktive Abschirmung
umfasst, so vorgesehen ist, dass zur Verringerung der für das Gradientenspulensystem
benötigten
Energie das von der inneren Teilspule eingenommene Volumen in den
in axialer Richtung über
die HF-Spule hinausgehenden Bereichen zur Achse hin erweitert ist.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit der Zeichnung näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer MR-Vorrichtung, in welcher das erfindungsgemäße Spulensystem
Anwendung finden kann; und
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2 in
einer einzigen schematisierten Längsschnittdarstellung
ein Spulensystem nach dem heutigen Stand der Technik (punktiert
gezeichnete innere Teilspule) sowie ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spulensystems
(durchgezogen gezeichnete innere Teilspule).
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In 1 ist
das Schaltbild einer für
den Einsatz des erfindungsgemäßen Spulensystems
geeigneten MR-Vorrichtung dargestellt. Sie umfasst eine Steuereinheit 17,
die einen Gradienten-Wellenform-Generator 20 ansteuert,
an dessen Ausgängen jeweils
ein erster, ein zweiter und ein dritter Gradientenverstärker 21, 22, 23 angeschlossen
ist. Diese Verstärker
erzeugen jeweils einen Strom für
eine erste, zweite bzw. dritte Gradientenspule 3, 5, 7.
Die Verstärkungsfaktoren
dieser Verstärker
sind durch die Steuereinheit 17 über Leitungen 32 unabhängig voneinander
einstellbar, so dass die Gradientenspulen 3, 5, 7 die
Gradientenfelder in der x-, y- und z-Richtung erzeugen und in den
entsprechenden drei Raumrichtungen in dem untersuchten Bereich eine
Schichtselektion vorgenommen werden kann.
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Weiterhin
wird durch die Steuereinheit 17 ein HF-Generator 18 angesteuert,
um zur MR-Bildgebung die Frequenz der HF-Impulse auf die von den Gradientenfeldern
abhängigen
Larmor-Frequenzen einzustellen. Die HF-Impulse werden einem Verstärker 19 zugeführt, dessen
Verstärkung
durch die Steuereinheit 17 gesteuert wird, und gelangen
anschließend
zu einer HF-Sendespule 11.
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Die
in einer Hochfrequenz-Empfangsspule 12 durch die Relaxation
der angeregten Magnetisierungszustände induzierten MR-Signale
werden in einem Quadratur-Demodulator 13 durch
Mischung mit zwei um 90° gegeneinander
versetzten Trägerschwingungen
(mit einer durch die lokale Stärke
der stationären
Magnetfelder bestimmten Larmor- bzw. MR-Frequenz) eines Oszillators 130 demoduliert,
so dass zwei Signale entstehen, die als Realteil und als Imaginärteil eines
komplexen Signals aufgefasst werden können. Diese Signale werden
einem Analog-Digitalwandler 14 zugeführt. Mit einer Bildverarbeitungseinheit 16 werden
schließlich
die MR-Bilder in bekannter Weise rekonstruiert und auf einem Monitor 15 wiedergegeben.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines in der
MR-Vorrichtung nach 1 einsetzbaren
Spulensystems wird die punktiert gezeichnete innere Teilspule 213 des
aus innerer Teilspule 213 und aktiver Abschirmung 212 bestehenden Gradientenspulensystems
nach dem heutigen Stand der Technik durch die durchgezogen gezeichnete
innere Teilspule 213' ersetzt.
Die neuartige innere Teilspule 213' nutzt dabei bisher ungenutzte
Volumina. Derartige ungenutzte Volumina befinden sich unterhalb
der Patiententisches 216 und oberhalb einer das Spulensystem 210 vom
Untersuchungsraum 217 trennenden Abdeckung 214 in
den in axialer Richtung außerhalb
der HF-Spule 219 liegenden Bereichen. In diesen Bereichen
wird die innere Begrenzung der inneren Teilspule 213' zur Achse 218 hin
verschoben, so dass sie auf der Unterseite parallel zur Achse 218 und
auf der Oberseite parallel zur Abdeckung 214 verläuft. Das
Spulensystem 210 und insbesondere die innere Teilspule 213' liegen dabei
symmetrisch zu einer Mittelebene 221, wodurch sich die
Feldverhältnisse
vereinfachen. Dabei entspricht die Wirkungsweise und Konfiguration
der HF-Spule 219 in 2 der HF-Spule 11 in 1 und
die Komponenten 213' in
Verbindung mit der Abschirmung 212 in 2 den Gradientenspulen 3, 5 oder 7 in 1.
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Der
Abstand der inneren Teilspule 213' zur Achse 218 ist in
den in axialer Richtung über
die HF-Spule 219 hinausgehenden Bereichen größer oder
gleich dem Abstand der HF-Spule 219 zur Achse 218,
so dass der für
den Patienten 215 zur Verfügung stehende Untersuchungsraum 217 ausschließlich durch
die HF-Spule bestimmt wird und sich durch die neuartige innere Teilspule 213' nicht verkleinert.
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Die
Windungsverteilung des Gradientenspulensystems bzw. der Gradientenspulenanordnung kann
nach einem numerischen Verfahren (S. Pissanetzky Meas. Sci. Technol.
3 (1992) S. 667ff) berechnet werden. Gegenüber einem herkömmlichen
Standardsystem ergibt sich damit eine Reduktion der Spulenenergie
um etwa 35%.
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Insgesamt
verschafft die Erfindung ein Spulensystem, das durch die folgenden
Merkmale und Vorteile gekennzeichnet ist:
- – Geringerer
Energieverbrauch, der die Kosten für die Gradientenverstärker reduziert.
- – Mit
einem unveränderten
Gradientenverstärker kann
ein höherer
Gradient erzeugt werden.
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Darüber hinaus
wird der für
den Patienten zur Verfügung
stehende Untersuchungsraum nicht verkleinert.
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- 3,
5, 7
- Gradientenspulen
- 11
- Hochfrequenz-Sendespule
- 12
- Hochfrequenz-Empfangsspule
- 13
- Quadratur-Demodulator
- 14
- Analog-Digitalwandler
- 15
- Monitor
- 16
- Bildverarbeitungseinheit
- 17
- Steuereinheit
- 18
- HF-Generator
- 19
- Verstärker
- 20
- Gradienten-Wellenform-Generator
- 21,
22, 23
- Gradientenverstärker
- 210
- Spulensystem
- 211
- Kryostat
- 212
- aktive
Abschirmung
- 213,
213'
- innere
Teilspule
- 214
- Abdeckung
- 215
- Patient
- 216
- Patiententisch
- 217
- Untersuchungsraum
- 218
- z-Achse
(Richtung des statischen Magnetfeldes)
- 219
- HF-Spule
- 220
- Gradientenverstärker
- 221
- Symmetrieebene